基于AT89S52单片机的数字频率计课程设计.doc

第一章 前言 频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输 ，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越 普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。 1.1频率计概述 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它 是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号 、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装 、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用 到频率计。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬 件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。本次采用单片机 技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等优点[1]。 1.2频率计发展与应用 在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。 单片机作为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单片机已 成为电子系统的中最普遍的应用。单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围 很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与 计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛 。其中以AT89S52为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大，派生产品最多，基本可 以满足大多数用户的需要[2]。 1.3频率计设计内容 利用电源、单片机、分频电路及数码管显示等模块，设计一个简易的频率计能够粗略 的测量出被测信号的频率。 参数要求如下： 1．测量范围10HZ—2MHZ； 2．用四位数码管显示测量值； 第二章 系统总体方案设计 2.1测频的原理 测频的原理归结成一句话，就是"在单位时间内对被测信号进行计数"。被测信号，通 过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端[3 ]。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控 电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选 通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间 间隔T内累计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式： （1） 图1说明了测频的原理及误差产生的原因。 时基信号 待测信号 丢失（少计一个脉冲） 计到N个脉冲 多余（比实际多出了0.x个脉冲） 图1 测频原理 在图1中，假设时基信号为1KHZ，则用此法测得的待测信号为1KHZ×5=5KHZ。但从图中 可以看出，待测信号应该在5.5KHZ左右，误差约有0.5/5.5 9.1%。这个误差是比较大的 ，实际上，测量的脉冲个数的误差会在±1之间。假设所测得的脉冲个数为N，则所测频率 的误差最大为δ=1／（N- 1）*100%。显然，减小误差的方法，就是增大N。本频率计要求测频误差在1 以下，则N 应大于1000。通过计算，对1KHZ以下的信号用测频法，反应的时间长于或等于10S，。由 此可以得出一个初步结论：测频法适合于测高频信号。 频率计数器严格地按照公式进行测频[4]。由于数字测量的离散性，被测频率在 计数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的量化误差，在不计其他误差影 响的情况下，测量精度将为： 应当指出，测量频率时所产生的误差是由N和T俩个参数所决定的，一方面是单位时间 内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面T越稳定时，精度越高。为了增加单位时间 内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加T来满足，为了 增加T的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。 上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。 2.2总体思路 频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对信 号进行计数,计数值就是信号频率。本文介绍了一种基于单片机AT89S52 制作的频率计的设计方法,所制作的频率计测量比较高的频率采用外部十分频，测量较低 频率值时采用单片机直接计数，不进行外部分频。该频率计实现10HZ~2MHZ的频率测量, 而且可以实现量程自动切换功能，四位共阳极动态显示测量结果，可以测量正弦波、三 角波及方波等各种波形的频率值。 第三章 硬件电路具体设计 根据系统设计的要求，频率计实际需要设计的硬件系统主要包括以下几个部分：AT8 9S52单片机最小系统模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块，下面将分 别给予介绍。 3.1 AT89S52主控制器模块 3.1.1 AT89S52的介绍 8位单片机是MSC-51系列产品升级版[5] 【基于AT89S52单片机的数字频率计】设计主要涵盖了单片机技术在频率测量领域的应用。AT89S52是一款8位微控制器，属于经典的51系列，广泛应用于嵌入式系统设计，具有体积小、响应速度快、测量精度高等优势，特别适合构建数字频率计。 **频率计概述** 数字频率计是一种用于测量信号频率的仪器，它以十进制数字显示测量结果，适用于计算机、通信设备等多种场景。传统频率计通常由复杂的硬件电路组成，包括组合电路和时序电路，而基于AT89S52的频率计则利用单片机技术，简化了硬件结构，提高了测量效率和准确性。 **频率计的发展与应用** 随着数字电子技术的发展，单片机在嵌入式系统中的作用日益突出，推动了频率计等测量仪器的进步。AT89S52单片机因其广泛的应用和良好的性能，成为许多设计中的首选。它在电子技术、计算机应用、通信、自动化等领域都有广泛应用。 **频率计设计内容** 设计一个简单的频率计，需要考虑以下几个模块：电源、AT89S52单片机、分频电路和数码管显示。设计要求能够测量10Hz至2MHz的信号频率，并用四位数码管显示测量值。 **测频原理** 测频的核心是计数被测信号在单位时间内的周期数。信号首先通过放大器和整形器变成矩形波，然后与由晶体振荡器产生的基频脉冲进行比较。通过主门电路选择并计数被测信号的脉冲，根据计数结果计算频率。误差主要来源于计数脉冲的不完全匹配，可以通过增加计数时间（T）或提高被测信号的频率来提高精度。 **总体方案设计** 频率计采用单片机AT89S52控制，对于高频信号，利用外部分频器提高测量精度；而对于低频信号，直接由单片机内部计数。此外，该设计还包含了量程自动切换功能和四位数码管的共阳极动态显示，能适应不同频率范围的测量需求。 **硬件电路设计** 硬件主要包括AT89S52单片机最小系统、电源模块、放大整形模块和分频模块。AT89S52作为主控制器，负责整个系统的数据处理和控制。电源模块提供稳定的电源，放大整形模块确保信号的质量，分频模块则根据需要对信号进行频率调整。 基于AT89S52的数字频率计设计结合了单片机的高效计算能力与精简的硬件结构，实现了高精度和宽频率范围的测量，具有较强的实用性和通用性。通过不断优化设计，可以在保证测量精度的同时，进一步提升系统的稳定性和易用性。